清華大學深圳研究生院的楊誠團隊AFM：NiMo固溶體納米線陣列電極用于高效的析氫反應

引言

氫能是全球矚目的清潔能源。電催化裂解水是未來大規模獲取純凈氫能源的重要途徑。在析氫反應中，貴金屬基的電極材料是活性最高的催化劑，但高成本和稀缺性阻礙了它的大規模應用。Ni催化劑在電導性、耐腐蝕性等方面有突出優點，可用作堿性介質下的產氫材料。向Ni摻雜或合金化其他非貴金屬元素，能進一步改善電子結構和提高催化活性。傳統方法主要是利用冶金法來制備，但是高溫的制備過程會導致金屬退火，這不利于保留足夠的表面活性位點和高的比表面積。因此，如果能利用濕化學方法進行合金合成，構建3D納米結構電極，在網狀的導電骨架上隨機分散特定的催化顆粒，這種分級納米線陣列能提供大量的活性位點和快電荷傳輸通道，并且有利于氫氣的快速脫出，已成為當前重要的研究熱點。但是，由于個種類金屬之間存在著還原電勢差異，如何同時實現對形貌、成分、結構的良好控制，實現最優性能，成為迫切需要解決的問題。

成果簡介

8月7日，清華大學深圳研究生院的楊誠研究團隊在Advanced Functional Materials在線發表了題為“NiMo Solid Solution Nanowire Array Electrodes for Highly Efficient Hydrogen Evolution Reaction”的文章，報道了一種通過在水溶液中合成NiMo固溶體納米線陣列的方法，得到的電極具有優異的析氫性能。改工作通過合理地設計成分、形態、和結構特性，借助獨特的勻強磁場協助生長的機理，利用一種可量產和低成本的方法來制備催化劑電極，誘導NiMo固溶體納米線通過金屬鍵垂直接枝在鈦基板上，形成均勻的陣列，陣列尺寸可達分米。NiMo合金隨機分布在Ni納米線內，這種整體性的三維分級結構表現出良好的電導性、高密度的催化活性位點、優異的電荷/質量傳輸和產氫能力。）

如圖1a所示，納米線中Ni和MoNi₄合金相都有出現（圖1e），其中Mo更趨近與分布在納米線表面（圖1k）。MoNi₄合金電極(5wt%的Mo鹽)在65℃時（記為NiMo-65）呈現出極好催化性能(圖3c)。與最近報道的其他無Pt催化劑比較，NiMo-65納米線陣列電極表現出更優異的堿性電解水析氫性能（圖3e）。NiMo-65的交換電流密度比其他溫度下大得多（圖4a）。NiMo-65的電荷轉移阻抗是最低的，說明這種三維電極提供了快電荷傳輸通道，從而獲得更快的析氫反應動力學特性及改善的催化性能（圖4c）。在長期穩定性方面，與其他電極相比，電解24小時后，NiMo-65電極性能穩定且電流密度較高（23mA?cm^-2），這意味著優良的機械穩定性和輸運性能（圖4d），并且經過穩定性測試后NiMo-65的結構能很好地保持，說明了它具有優良的化學穩定性（圖4e，4f）。

圖文導讀

圖1

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a)磁場輔助生長法制備NiMo納米線陣列示意圖，其中虛線表示磁場線；

b-e)NiMo-65電極的b)SEM圖像、c)SAED圖樣、d)TEM圖像、e)HR-TEM圖像；

f-g)圖1e中所標出的f)頂部FFT圖樣、g)底部區域的IFFT圖樣；

h-k) h)Mo，i)O，j)Ni的EDS元素面掃描圖和k)整體的元素面掃描圖。

圖2

a)在80℃條件下不同鉬含量所制備的NiMo基電極的XRD圖譜；

b)不同合成溫度下制備的NiMo基電極(1.60at%Mo)的XRD圖譜；

c-d) c)Ni的2p和d)Mo的3d高分辨率XPS光譜。

圖3

a-b) a)在80℃條件下，不同Mo濃度下制備的NiMo電極的LSV曲線以及b)對應的Tafel圖；

c-d) c)不同溫度下合成的NiMo電極(1.60 at%Mo)LSV曲線以及d)對應的Tafel圖；

e)在1.0mol/LKOH水溶液中，電流密度為10和100mA cm^-2時，NiMo-65電極和其他近期報道的催化劑的過電位比較；

f)NiMo-65結構特征示意圖。

圖4不同合成溫度下制備的NiMo (1.60at% Mo)電極的電化學結果。

a-b) a)交換電流密度，b)電容電流作為掃描速率的函數；

c)不同NiMo電極的Nyquist圖；

d-f) d)長期循環的穩定性能，其中插圖為NiMo-65電極循環后的SEM圖像。長期穩定性試驗后的NiMo-65的XPS譜:e) Ni 2p；f)Mo 3d。

小結

綜上所述，通過簡單、有效的的磁場輔助方法，本工作成功制備出了形貌良好、成分可控的NiMo合金納米線陣列電極。實驗結果表明，所制備的NiMo-65電極具有優異的堿性析氫反應活性和突出的的長期穩定性。對NiMo基電極析氫反應動力學的合理設計和基本認識為鉑基催化劑提供了一種有前景的替代品。納米線陣列的長度、直徑、元素組成和結晶性質對電催化性能的影響需要進一步研究，特別是在電流密度更大的情況下。本文的策略提供了一種平臺式的技術，通過探索各種各樣的地球含量豐富的元素，未來有望進一步拓展應用于不同的電催化體系，如電化學金屬-空氣電池和燃料電池等。

文章鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201903747

本文由清華大學深圳研究生院的楊誠研究團隊供稿。

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